Corneal diseases are a leading cause of blindness with an estimated 10 million patients diagnosed with bilateral corneal blindness worldwide. Corneal transplantation is highly successful in low-risk patients with corneal blindness but often fails those with high-risk indications such as recurrent or chronic inflammatory disorders, history of glaucoma and herpetic infections, and those with neovascularisation of the host bed. Moreover, the need for donor corneas greatly exceeds the supply, especially in disadvantaged countries. Therefore, artificial and bio-mimetic corneas have been investigated for patients with indications that result in keratoplasty failure. Two long-lasting keratoprostheses with different indications, the Boston type-1 keratoprostheses and osteo-odonto-keratoprostheses have been adapted to minimise complications that have arisen over time. However, both utilise either autologous tissue or an allograft cornea to increase biointegration. To step away from the need for donor material, synthetic keratoprostheses with soft skirts have been introduced to increase biointegration between the device and native tissue. The AlphaCorTM, a synthetic polymer (PHEMA) hydrogel, addressed certain complications of the previous versions of keratoprostheses but resulted in stromal melting and optic deposition. Efforts are being made towards creating synthetic keratoprostheses that emulate native corneas by the inclusion of biomolecules that support enhanced biointegration of the implant while reducing stromal melting and optic deposition. The field continues to shift towards more advanced bioengineering approaches to form replacement corneas. Certain biomolecules such as collagen are being investigated to create corneal substitutes, which can be used as the basis for bio-inks in 3D corneal bioprinting. Alternatively, decellularised corneas from mammalian sources have shown potential in replicating both the corneal composition and fibril architecture. This review will discuss the limitations of keratoplasty, milestones in the history of artificial corneal development, advancements in current artificial corneas, and future possibilities in this field.

Abstract aus Holland G, Pandit A, Sánchez-Abella L, et al.: Artificial cornea: Past, current, and future directions. Front Med (Lausanne) 2021;8:770780.

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Hintergrund

Hornhautbedingte Erblindung betrifft weltweit etwa 10 Millionen Menschen, von denen ein erheblicher Anteil Kinder sind. Unter den Ursachen für Blindheit liegen diese Erkrankungen damit auf Platz 5. Es gibt viele Situationen, in denen bei diesen Menschen keine Hornhauttransplantation sinnvoll durchgeführt werden kann, z.B. weil bei stark vaskularisierten Hornhäuten, bei Limbusstammzellinsuffizienz oder bei chronischen Entzündungen der Augenoberfläche das Risiko für Wundheilungsstörungen und Abstoßungsreaktionen sehr hoch ist. Zudem besteht ein weltweiter Mangel an Spenderhornhäuten. Es gibt viele Regionen, in denen keine ausreichende bis gar keine Möglichkeit zur Versorgung mit menschlicher Hornhaut vor Ort gegeben ist. Künstliche Hornhäute könnten künftig helfen, eine flächendeckende Versorgung «off the shelf» zu ermöglichen. Bei entsprechendem Design könnten sie ohne Risiko von Abstoßungsreaktionen implantiert werden.

Ergebnisse der Studie

Die Suche nach Ersatzgewebe für die menschliche Hornhaut hat eine lange Historie. Viele unterschiedliche Materialien und Biomaterialien wurden sowohl laborexperimentell als auch in klinischer Anwendung erprobt. Der Übersichtsartikel von Holland und Koautor*innen bietet eine sehr umfassende Übersicht über historische und aktuelle Ansätze zur künstlichen Hornhaut. Über die historischen Entwicklungen mit zahlreichen nachvollziehbaren, aber letztlich nicht erfolgreichen Anwendungen hinaus werden die Ergebnisse der aktuell in der klinischen Anwendung verbliebenen Keratoprothesen, der Boston-Typ-I-Keratoprothese und der (modifizierten) Osteoodonto-Keratoprothese (Keratoprothese mit biologischer Haptik aus einem Zahn), dargestellt. Es wird ein Ausblick auf eine aktuelle Studie mit der neuen CorNeat-Keratoprothese gegeben, die mit deutlich weniger Aufwand als Prothesen mit biologischer Haptik implantiert werden kann und über eine gute Biointegrierbarkeit verfügen soll.

Ergänzt wird die Darstellung der Keratoprothesen durch einen Überblick über Biomaterialien auf Kollagenbasis. Auch hier gibt es erste klinische Erfahrungen, bislang aber nur in Studien. Die Autor*innen beschreiben zudem die Technik der Dezellularisierung von Hornhautgewebe zur Reduktion der Immunreaktivität, die es ermöglicht, auch xenogene Transplantate z.B. vom Schwein zu verwenden. Hier gibt es bereits ein in China zugelassenes Produkt, mit dem in Europa bislang keine Erfahrung besteht. Um die Qualität solcher Hornhäute zu verbessern, gibt es Strategien zur Rezellularisierung, allerdings dann mit Zellen ohne xeno- oder alloantigener Reaktivtität. Der Nutzen einer Rezellularisierung des Stromas von Schweinehornhäuten ist aber noch unklar und Gegenstand aktueller Forschung. Am Ende des Beitrags wird ein Ausblick auf die Möglichkeiten zum 3D-Bioprinting gegeben. Hierbei können «Bio-Tinten» verwendet werden, um Kollagen und andere Bestandteile der Extrazellularmatrix geordnet und geschichtet zu drucken. Dies kann auch in Kombination mit Epi- und Endothelzellen sowie Keratozyten erfolgen, die z.B. aus embryonalen oder induzierten pluripotenten Stammzellen hergestellt werden können. Hierdurch können die Zellen sehr präzise in das Gewebekonstrukt platziert werden.

Fazit für die Praxis

Mit ihrem Artikel bieten Holland und Koautor*innen einen spannenden und gut verständlichen Überblick über die zahlreichen Ansätze zur Herstellung von Hornhautalternativen. Die Probleme aktueller Anwendungen liegen in der Schwierigkeit, künstliches Material mit biologischem Gewebe dauerhaft und ohne chronische oder akute Entzündung der Augenoberfläche oder des Augeninneren zu verbinden. Die Risiken einer Erblindung auch nach erfolgreicher Implantation einer Keratoprothese sind weiterhin sehr hoch. Interessierte Leser*innen erhalten mit diesem Artikel einen sehr gut lesbaren Einblick in den großen Ideenpool aktueller Ansätze zur Lösung dieser Probleme.

Kein Interessenskonflikt.

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